ETRA III fournit une nouvelle méthode pour déterminer la température de fusion à haute pression
Une équipe de recherche internationale de DESY, du Lawrence Livermore National Laboratory, de l'Université d'Édimbourg et du Karlsruhe Institute for Technology a mis au point une nouvelle méthode pour déterminer avec précision la température de fusion des matériaux opaques à l'aide d'images de contraste de phase des rayons X et de la diffraction des rayons X dans une cellule d'estampage en diamant chauffée au laser, à des pressions allant jusqu'à 500 000 bars et des températures allant jusqu'à 4 000 Kelvin. L'équipe d'Emma Ehrenreich-Petersen de DESY et d'Earl Francis O'Bannon du Lawrence Livermore National Laboratory a développé le procédé sur le guide de faisceau P02.2 de la source de rayons X à haute énergie PETRA III de DESY.
La méthode développée à PETRA III permet de suivre avec précision le début du processus de fusion dans le platine (au centre de l'image).
DESY, Hanns-Peter Liermann
La méthode développée sur PETRA III permet de suivre avec précision le début du processus de fusion dans le platine (au centre de l'image). Image : DESY, Hanns-Peter LiermannDéterminer la fusion de matériaux opaques à haute pression représente un grand défi depuis des décennies. De nombreuses approches ont été développées à cet effet au cours des dernières décennies, depuis l'introduction de cellules de poinçonnage en diamant chauffées au laser pour atteindre des pressions et des températures élevées. Ces dispositifs haute pression de la taille d'un poing sont constitués de deux diamants modifiés placés face à face, entre lesquels l'échantillon est comprimé. Il peut ainsi générer des pressions supérieures à la pression interne de la Terre. L'échantillon - en l'occurrence une feuille de métal - peut être chauffé à travers les diamants transparents par des lasers infrarouges très puissants qui irradient l'échantillon de part et d'autre des diamants. "Il est très difficile de détecter la première apparition de très petites quantités de matière fondue à l'aide de techniques d'imagerie ou de diffraction des rayons X sur l'échantillon. Dans les études précédentes, cela a conduit à des divergences dans la détermination de la température de fusion", explique Emma Ehrenreich-Petersen, première auteure de l'étude à DESY. "Dans notre étude, nous combinons la technique bien établie de l'imagerie par contraste de phase des rayons X avec la diffraction des rayons X et nous l'appliquons à la cellule de poinçon en diamant chauffée au laser. Nous détectons ainsi les plus petits contrastes de phase entre l'échantillon solide et l'échantillon liquide".
"L'avantage de cette approche est qu'il n'est pas nécessaire de faire fondre tout l'échantillon, car cette structure peut résoudre des volumes allant jusqu'à un micromètre", explique le chef de projet Earl Francis O'Bannon du Lawrence Livermore National Laboratory. "Nous avons testé cette nouvelle approche sur la ligne de faisceau à conditions extrêmes PETRA III P02.2 en déterminant la ligne de fusion du platine jusqu'à une pression de 500 000 bars et une température de 4000 kelvins. Nous avons montré que cette technique est beaucoup plus sensible pour déterminer le début de la fusion que toute autre technique utilisée jusqu'à présent".
"La nouvelle approche développée est un bon exemple de la façon dont des groupes de recherche interdisciplinaires, comme ici les groupes d'utilisateurs de haute pression du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'Université d'Edimbourg, le groupe d'imagerie de Christian Schroer à PETRA III, le Karlsruhe Institut für Technologie et l'équipe Beamline à P02.2, collaborent pour développer une nouvelle méthode qui aidera la recherche à résoudre certaines des questions scientifiques en suspens", explique Hanns-Peter Liermann, directeur de la Beamline Conditions extrêmes P02.2. "Nous sommes certains que cette approche changera fondamentalement la manière dont le début de la fusion sera déterminé à l'avenir. Avec les nouvelles sources de lumière de 4e génération comme l'ESRF-EBS et l'APS-U, qui offrent des rayons X aussi cohérents, voire plus, que PETRA III, cette approche va gagner en importance, car elle améliore la sensibilité et la qualité de l'imagerie. Il est donc important de mettre à niveau notre source de rayons X vers PETRA IV : elle sera la seule source de lumière au monde à offrir une cohérence presque 1000 fois supérieure à haute énergie, ce qui améliorera encore la résolution de la technique".
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Publication originale
Emma Ehrenreich-Petersen, Bernhard Massani, Thea Engler, Olivia S. Pardo, Konstantin Glazyrin, Nico Giordano, Johannes Hagemann, Daniel Sneed, Timofey Fedotenko, Daniel J. Campbell, Mario Wendt, Sergej Wenz, Christian G. Schroer, Mathias Trabs, R.Stewart McWilliams, Hanns-Peter Liermann, Zsolt Jenei, Earl F. O’Bannon; "X-ray phase contrast imaging and diffraction in the laser-heated diamond anvil cell: A case study on the high-pressure melting of Pt"; Results in Physics, Volume 69
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